CN107417973A - 一种表面可结晶可塑化空心二氧化硅纳米微球及其制备方法 - Google Patents
一种表面可结晶可塑化空心二氧化硅纳米微球及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球,该空心二氧化硅纳米微球表面修饰有高碳醇。本发明还提供了一种制备空心二氧化硅纳米微球的方法,该方法包括以下步骤:(1)向有机溶剂中加入按照Qiyu Yu[1]方法制备的空心二氧化硅纳米微球,搅拌均匀;(2)在氮气保护下,向步骤(1)得到的分散液中加入硅烷偶联剂,并持续搅拌,在室温下反应8~48小时;(3)在氮气保护下,向步骤(2)得到的分散液中加入高碳醇,20~80℃保温1~24小时,冷却,干燥,即得到表面可结晶可塑化的空心纳米二氧化硅微球。本发明的空心二氧化硅纳米微球,经加热,其表面可融化,冷却后表面结晶使得微球与微球相连形成块状固体。
Description
技术领域
本发明涉及表面可结晶可塑化空心二氧化硅纳米微球及其制备方法,尤其涉及一种先在空心二氧化硅纳米微球表面进行修饰,然后将可结晶的高分子分子接到空心二氧化硅纳米微球表面的方法。
背景技术
近年来,具有特殊结构和形貌的空心微球材料引起了人们广泛的关注。空心微球具有独特的特性如密度小、比表面积大。然而由于空心纳米二氧化硅最外层表面原子所处环境与内部原子不同,它周围缺少相邻的原子,有许多空悬键,导致其具有不饱和性,易与其它原子结合而稳定下来,所以易发生团聚而不易分散。因此,要使空心纳米二氧化硅在实际应用中体现出其特殊性,首先有必要将其进行有效分散。
随着纳米材料的发展,纳米颗粒的危害也越来越引起人们的关注。纳米粒子在很小的剂量下可造成脑损伤,容易使得机体产生氧化应激。人们接触纳米材料污染一般通过呼吸系统吸入纳米粒子粉尘,而空心二氧化硅纳米微球密度极低更容易通过呼吸系统被吸入体内,同时由于密度极低,容易在空气中形成悬浮的粉尘极易造成可燃,爆炸等安全事故,因此健康安全的实用纳米粒子变得极其重要。
如果能对空心二氧化硅纳米微球表面进行修饰,从而使得空心二氧化硅纳米微球可塑化形成熔体,这必将使得空心二氧化硅纳米微球在高分子材料中更加有效且均匀的分散,同时如果冷却至室温空心二氧化硅纳米微球又能形成块状固体,从而避免被人体呼吸系统吸入,不会造成粉尘爆炸等危险。目前并没有相关专利或文章关于这方面报道,本专利第一次提出这样解决方案。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷,本发明要解决的技术问题是使得空心二氧化硅纳米微球表面可塑化,同时冷却后表面结晶使得空心二氧化硅纳米微球形成固体。为了实现本发明的目的,本发明的技术方案如下:
本发明提供了一种表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球,所述空心二氧化硅纳米微球表面修饰有高碳醇。
在本发明的一优选实施例中,所述高碳醇是通过硅烷偶联剂修饰到所述空心二氧化硅纳米微球表面。
在本发明的一更优选实施例中,所述硅烷偶联剂是异氰酸酯类硅烷偶联剂或环氧类硅烷偶联剂,优选地,所述异氰酸酯类硅烷偶联剂是3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷或3-异氰酸基丙基三甲氧基硅烷;所述环氧类硅烷偶联剂是3‐缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷或3‐(2,3‐环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷。
在本发明的一更优选实施例中,所述高碳醇是具有以下结构式的高碳醇:
其中n=16-70。
在本发明的一更优选实施例中,所述高碳醇是具有以下结构式的高碳醇:
其中n=48-52或n=35-40。
在本发明的一更优选实施例中,所述空心二氧化硅纳米微球的熔点为50~150℃,结晶温度为50~150℃。
本发明还提供了一种制备空心二氧化硅纳米微球的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)向有机溶剂中加入按照Qiyu Yu[1]方法制备的空心二氧化硅纳米微球,搅拌均匀;(2)在氮气保护下向步骤(1)得到的分散液中加入硅烷偶联剂,并持续搅拌,在室温下反应8~48小时(根据反应活性而定);
(3)在氮气保护下向步骤(2)得到的分散液中加入高碳醇,其中高碳醇是指分子链中碳原子数大于20的单醇,20~80℃保温1~24小时(根据反应活性而定),冷却,干燥,即得到表面可结晶可塑化的空心纳米二氧化硅微球。
在本发明的一优选实施例中,所述方法包括以下步骤:
(1)将按照Qiyu Yu[1]方法制备的空心二氧化硅纳米微球分散于溶剂中,其中所述空心二氧化硅纳米微球的浓度为0.1-50g/l;
(2)在氮气保护下,向由步骤(1)得到的空心二氧化硅纳米微球分散液中,边搅拌边加入硅烷偶联剂,并持续搅拌,在室温下反应8~48小时(根据反应活性而定),其中所述硅烷偶联剂的浓度为0.1-50g/l;
(3)在氮气保护下向步骤(2)得到的分散液中加入高碳醇,其中高碳醇是指分子链中碳原子数大于20的单醇,20~80℃保温1~24小时(根据反应活性而定),冷却,干燥,即得到表面可结晶可塑化的空心纳米二氧化硅微球,其中所述高碳醇的摩尔数与所述分散液中的异氰酸酯基团或环氧基团的摩尔数相当。
在本发明的一优选实施例中,在步骤(1)中,所述溶剂可以是但不限于甲苯、二甲苯、乙酸乙酯或氯仿中的一种或几种。
在本发明的一优选实施例中,在步骤(1)中,所述空心二氧化硅纳米微球的粒子浓度为5-20g/l。
本发明的空心二氧化硅纳米微球经加热,其表面可融化,可以像热塑性高分子一样流动,冷却后表面结晶使得微球与微球相连形成块状固体。制备本发明的空心二氧化硅微球的方法如下:对空心二氧化硅纳米微球进行表面修饰,使得其表面带有异氰酸酯或环氧基团,再将高碳醇溶液加入表面带有异氰酸酯或环氧基团的空心二氧化硅纳米微球溶液,使得高碳醇中的羟基与异氰酸酯或环氧基团反应从而制得表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球。本发明的空心二氧化硅纳米微球加热后可塑化成熔体流动,使其极易与其它橡胶,塑料等材料熔体的混合,极大地提高了该空心二氧化硅纳米微球在它橡胶、塑料等材料中的分散性,该空心二氧化硅纳米微球加热冷却后成块状固体,不会在空气中悬浮,从而极大地提高了其健康安全性。
附图说明
图1是制备本发明的表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球的流程图;
图2是实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中的表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球变成熔融状态后,将熔体倒入简易模具冷却至室温制得的片状固体的照片。
具体实施方式
实施例1
按照Qiyu Yu[1]方法制备出粒径为180nm的空心二氧化硅纳米微球,取1克该空心二氧化硅纳米微球置于在装有磁力搅拌、氮气保护的250ml烧瓶中,加入100克甲苯,搅拌30分钟直至分散均匀,再缓慢滴加0.7克的3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(CAS:24801-88-5),约30分钟滴完,滴完后室温反应24小时,加入2%(重量比)的五十碳醇UnilinTM700(分子量:718,购于baker hughes incorporated)甲苯溶液150克。40℃反应12小时,冷却,干燥即得表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球。将该微球加热至150℃,该微球变成熔融状态,将熔体倒入简易模具冷却至室温即可制得片状固体见图2,经示差扫描量热法(DSC)测试,其熔点为105.8℃,结晶温度为104.1℃。
实施例2
按照Qiyu Yu[1]方法制备出粒径为180nm的空心二氧化硅纳米微球,取1克该空心二氧化硅纳米微球置于在装有搅拌、氮气保护的250ml烧瓶中,加入100克甲苯,搅拌30分钟直至分散均匀,再缓慢滴加0.68克的3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷约30分钟滴完,滴完后室温反应12小时,加入2%(重量比)的三十五碳醇UnilinTM550(分子量:508,购于bakerhughes incorporated)甲苯溶液160克。40℃反应12小时,冷却,干燥即得表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球。将该微球加热至150℃,微球变成熔融状态,将熔体倒入简易模具冷却至室温即可制得片状固体见图2,经过示差扫描量热法(DSC)测试,其熔点为99.8℃,结晶温度为97.1℃。
实施例3
按照Qiyu Yu[1]方法制备出粒径为180nm的空心二氧化硅纳米微球,取1克该空心二氧化硅纳米微球置于在装有搅拌、氮气保护的250ml烧瓶中,加入100克甲苯,搅拌30分钟直至分散均匀,再缓慢滴加0.65克的3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷约30分钟滴完,滴完后室温反应12小时,加入2%(重量比)的五十碳醇UnilinTM700(分子量:718,购于bakerhughes incorporated)甲苯溶液140克。70℃反应24小时,冷却,干燥即得表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球。将该微球加热至150℃,微球变成熔融状态,将熔体倒入简易模具冷却至室温即可制得片状固体见图2,经过示差扫描量热法(DSC)测试,其熔点为106.1℃,结晶温度为104.5℃。
实施例4
按照Qiyu Yu[1]方法制备出粒径为180nm的空心二氧化硅纳米微球,取1克该空心二氧化硅纳米微球置于在装有搅拌、氮气保护的250ml烧瓶中,加入100克甲苯,搅拌30分钟直至分散均匀,再缓慢滴加0.81克的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷约30分钟滴完,滴完后室温反应24小时,加入2%(重量比)的五十碳醇UnilinTM700(分子量:718,购于bakerhughes incorporated)甲苯溶液180克。40℃反应12小时,冷却,干燥即得表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球。将该微球加热至150℃,微球变成熔融状态,将熔体倒入简易模具冷却至室温即可制得片状固体见图2,经过示差扫描量热法(DSC)测试,其熔点为105.1℃,结晶温度为103.3℃。
[1]Qiyu Yu,Pengpeng Wang,Shi Hu,Junfeng Hui,Jing Zhuang,and Xun Wang,hydrothermal synthesisi of hollow silica spheres under acidic conditions,Langmuir 2011,27,7185-7191。
Claims (9)
1.一种表面可结晶可塑化的空心二氧化硅纳米微球,其特征在于,所述空心二氧化硅纳米微球表面修饰有高碳醇。
2.根据权利要求1所述的空心二氧化硅纳米微球,其特征在于,所述高碳醇是通过硅烷偶联剂修饰到所述空心二氧化硅纳米微球表面。
3.根据权利要求1或2所述的空心二氧化硅纳米微球,其特征在于,所述硅烷偶联剂是异氰酸酯类硅烷偶联剂或环氧类硅烷偶联剂,优选地,所述异氰酸酯类硅烷偶联剂是3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷或3-异氰酸基丙基三甲氧基硅烷;所述环氧类硅烷偶联剂是3‐缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷或3‐(2,3‐环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷。
4.根据权利要求1或2所述的空心二氧化硅纳米微球,其特征在于,所述高碳醇是具有以下结构式的高碳醇:
其中n=16-70。
5.根据权利要求1或2所述的空心二氧化硅纳米微球,其特征在于,所述空心二氧化硅纳米微球的熔点为50~150℃,结晶温度为50~150℃。
6.一种制备根据权利要求1或2所述的空心二氧化硅纳米微球的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)向有机溶剂中加入按照Qiyu Yu[1]方法制备的空心二氧化硅纳米微球,搅拌均匀;(2)在氮气保护下,向步骤(1)得到的分散液中加入硅烷偶联剂,并持续搅拌,在室温下反应8~48小时;
(3)在氮气保护下,向步骤(2)得到的分散液中加入高碳醇,20~80℃保温1~24小时,冷却,干燥,即得到表面可结晶可塑化的空心纳米二氧化硅微球。
7.根据权利要求6所述的制备空心二氧化硅纳米微球的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将按照Qiyu Yu[1]方法制备的空心二氧化硅纳米微球分散于溶剂中,其中所述空心二氧化硅纳米微球的浓度为0.1-50g/l;
(2)在氮气保护下,向由步骤(1)得到的空心二氧化硅纳米微球分散液中,边搅拌边加入硅烷偶联剂,并持续搅拌,在室温下反应8~48小时,其中所述硅烷偶联剂的浓度为0.1-50g/l;
(3)在氮气保护下向步骤(2)得到的分散液中加入高碳醇,20~80℃保温1~24小时,冷却,干燥,即得到表面可结晶可塑化的空心纳米二氧化硅微球,其中所述高碳醇的摩尔数与所述分散液中的异氰酸酯基团或环氧基团的摩尔数相当。
8.根据权利要求6所述的制备空心二氧化硅纳米微球的方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述溶剂是甲苯、二甲苯、乙酸乙酯或氯仿中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的制备空心二氧化硅纳米微球的方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述空心二氧化硅纳米微球的粒子浓度为5-20g/l。
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